过而能改,善莫大焉

发表于 科幻世界2004年第5期 

过而能改,善莫大焉

 

作者:杨贵福

 

科学研究,解释并改造世界,与我们热爱科学的读者息息相关。但是,科学并不完美,作为人类活动,由于每个科学工作者的价值观、世界观、宗教信仰,还有研究方法和工具等方面的原因,其结论不可避免地可能出现错误。

那么,1)科学家们都犯过哪些错误,2)如何判断一个结论是错误的并纠正它,就成为很值得我们讨论的问题。

 

人谁无过?

            ——《左传·鲁宣公二年》

 

卡尔·萨根说:“可能科学和伪科学之间的最大差别在于:与伪科学(或‘永无错误的’启示)相比,科学在人类的不完美性和易犯错误的本性的认识上要深刻得多。”[1]

科学,从来不惮于怀疑最伟大的权威。正因为如此,科学如同永不止息的大河,不断地自我批判,而声称上帝从不犯错的宗教,则只能用神秘的迷雾遮盖住越来越多无法解释的事实。

让我们来看看伟大的科学家们所犯过的错误吧。

 

第一位是:焦耳。一个与热力学第一定律[2]紧紧地联系在一起的名字,事实上该定律表达公式的单位就是“焦耳”。18世纪40年代,身为中学物理教师的焦耳,晚年提出热力学第一定律,即包括热量在内的能量守恒和转换定律,彻底终结了人类发明第一类永动机的梦想。

终结这样一个空虚的美丽梦想,意味着更多真实的梦想和更美丽的现实,将在铁的定律下更加绚丽多彩的世界中逐渐形成。没有看似美丽的梦的破灭,阳光灿烂的黎明又如何进入我们的心灵。今天尽管仍有个别人沉迷于研究,或者说沉迷于声称研究第一类永动机,梦想着制造出那台“不需要外界的能量供给而能不断地对外做功”的机器,但是每个清醒着的人都已通过焦耳的定律了解到,那不过是一个早已被抛弃的童话。

但是焦耳在发现热力学第一定律前,令人惊讶地,却曾长期沉迷于第一类永动机的研究。正是在这种研究中,焦耳发现了这是一条弯路,转而尊重事实而不是梦想,通过优美的公式,成为自己所沉迷的梦想的终结者。热学研究的大道,就这样在弯路的基础上被建立起来。

 

如果说,焦耳最初的错误是一种必要探索的话,开普勒早年的错误则是由于没有掌握足够的事实。

开普勒行星三定律在物理学的发展中具有重要的地位。星空,神秘而辽远,照耀着康德的理性,也吸引着哥白尼、爱因斯坦的目光,鼓舞着火中的布鲁诺。星空,也让年轻的开普勒沉醉。令开普勒同样沉醉的是神学完美的世界。圆形,毫无缺欠,是神学世界里完美的象征。开普勒曾固执地认为,行星的轨道必是完美的圆形,从而彰显出上帝的神奇。

直到开普勒从由于长期观察记录星空而失明的第谷手中接下大量的数据后,他才开始第一次动摇。从浩如烟海的数据中,开普勒推算出,行星的轨道必定不是完美的圆形,因为这一假设与行星的实际运行并不吻合。不论我们的假设多么善意和完美,世界的运行依然故我。与我们这里的讨论关系不大,但是有趣的,开普勒后来完全因为偶然的运气,尝试了椭圆的公式,这样就有了今天我们看到的开普勒行星三定律。令执着追求真实的开普勒迷惑不解的,虽然他的计算在天空中为行星划出了精确的轨迹,他本人却并不清楚行星这样运行的更深层的原因。

 

开普勒的疑问直到他去世半个多世纪后,才由牛顿的《自然哲学的数学原理》给出解答。牛顿的理论照亮了黑暗,最终吹散了笼罩着人们千年的中世纪迷雾。我们要讨论的第三位,正是牛顿。

牛顿的贡献,不仅是用牛顿三定律解释了包括开普勒的疑问在内的许多事实,他的定律在此后很长一段时间,超越了人类的工具所能探索到的;同时,牛顿作为微分学的开创者,他的这一理论成为物理学的数学支柱之一。

微分学的出现,是天才一贯正确的结果吗?

恰恰相反,每一个杰出的贡献,都可能正是对错误修正所得。1663年,20岁的牛顿对星占学产生了兴趣。星空,可能更多的是宿命,让他沉迷于其中。但是,他很快发现,深入研究星占学,需要以三角学方面的知识作为基础,在学习了一本三角学的书后,发现自己不懂几何学,他就又找了一本欧几里得的《几何学初步》开始学习。两年后,他没有成为是星占学的专家,而是发明了微分学。[3]最令人最为惊讶的不是天才的牛顿能在两年内创造出微分学,而是终结上帝天空的工具,最初竟然发端于星占学的阴霾。

微分学作为重要的数学建模工具,帮助科学家们不必借助上帝就能描述遥远的星尘的我们脚下的大地。也正是由于描述事实的准确便捷,使得微分学在众多学科中,如此重要。如果说星占学是一堆冷寂了的灰烬,牛顿的微分学,则是从灰与火焰中冲天而起的凤凰。科学的道路,从来不是笔直的,伟大的结论总诞生于前人的肩膀之上。

 

科学家们犯过的错误,甚至现在看来愚蠢的错误,数不胜数。但是科学的魅力正在于其研究过程淘汰了所犯的错误,并艰难前进。

 

过而能改,善莫大焉。

        ——《左传·鲁宣公二年》

 

科学家们所做的工作,正是为我们周围的世界(也包括我们自身)建立模型,用这一模型解释已知的事实,并预言新事实的存在。新的观察世界的工具和新的事实的出现,会让我们发现旧理论无法解释的事实,这时我们就说,旧的理论是错误的,或者,比如爱因斯坦对牛顿所做的,对旧理论进行修正或推广。

那么,在某一个理论提出时,我们如何检验它是正确的,还是错误的呢?是靠科学家个人的声誉、权威的声音、媒体和大众,还是别的什么?

 

检验一个理论,也许,我们该相信科学家个人的声誉?

古希腊时,“亚里士多德如是说”即可作为证据。中世纪,欧洲人只要从圣经中摘出任意一条语句,都会被认为是世界最完善的模型,即使明显地荒谬,信徒们也有另一条语句用于辩解,或者说,上帝的深奥不是凡人所能了解的。

这些曾经拥有最辉煌声誉的学者或学说,后来无一例外地被科学家们质疑。那么,否定了古代或神学后,我们是否就应该相信某位杰出科学家的结论呢?

在科学研究中,即使某位杰出科学家的结论是在他最熟悉的领域,对于这个问题的答案仍然是“不行”。“相信”,在近代科学发源地西方的文化中,可能比在我们的传统中具有更强烈的不加思考无条件接受的含义,更接近于“信仰”,而不是“信心”。也许,这种不被相信,从世俗的眼光来看,对于权威科学家而言,可能并不舒服,但是对于保持科学的纯洁,则是十分必要的。

对此,王小波在《向科学学习什么》曾指出,“正如罗素先生所说,近代以来,科学建立了一种理性的权威--这种权威和以往任何一种权威不同。……科学家发表的结果,不需要凭借自己的身份来要人相信。你可以拿一支笔,一张纸,或者备几件简单的实验器材,马上就可以验证别人的结论。当然,这是一百年前的事。验证最新的科学成果要麻烦得多,但是这种原则一点都没有改变。科学和人类其他事业完全不同,它是一种平等的事业。”

在科学界,每个观点都可以被质疑,每个人都可以质疑任何人提出的观点;科学,最终是由一个个被检验过的理论组成,而不是由一群有良好声誉的科学家组成。当然,前提是,你得能理解用公认方法写作的阐述其思想的论文,才有进行检验的起码可能。

科学家个人与他提出理论的分别讨论,也让我们认识到问题的另一个方面。极端地,即使一个科学家的道德公认败坏得无以复加,判断他提出的理论是否正确时,与他的道德水平仍然没有任何关系。同时,科学家的宗教信仰、意识形态、价值观体系,也不能作为评价他成果的依据。二战时期,帮助纳粹德国的科学家们所做出的成果,包括技术领域V2火箭的成功,从来没有被科学界抹杀。有人从《恋爱中的爱因斯坦》中得出结论,伟大的科学家爱因斯坦在婚姻中是一个什么什么样的人,进而可能对相对论的正确性产生怀疑。这也是未能区分科学家的私生活与其理论间关系的典型例子。

当科学家们指出,禽流感并非简单由吃鸡导致。有人提出,为了证明这一观点,科学家应该站出来在公众面前表演吃鸡。对于这一要求,合理的回答是,不同于作为公众人物的政治家,科学家理论的正确性,不是通过拍胸脯或者表演给你看来保证的,而是通过科学体系内同行评议来保证的。“如果倡导科学家进行带头吃鸡的举动,则不免造成只要科学家当众身体力行就是科学事实的假象。”[4]正相反,某此商人亲自喝涂料以证明绿色环保,那才是不可信任的。

 

检验一个理论,也许,我们该相信某些权威的声音?

在科学上,无论是个人的还是集团的权威,最终都无法作为科学理论正确性的保证。

对于任何科学家,在发表观点时需要给出证明自己观点的证据,这一要求是完全平等的。邹承鲁院士指出,“没有一个现实的可行的方案,任何设想都只是空想。”[5]

对于“谁声称谁举证”这一点,在《生命科学与骗术》还是王小波曾告诉我们,“我们知道,司法上有无罪推定一说,要认定一个人有罪,先假设他是无罪的,用证据来否定这个假设。科学上认定一个人的发现,也是从他没发现开始,用证据来说明他确实发现了。敏感的读者会发现,对于个人来说,这后一种认定,是个有罪推定。举例来说,我王某人在此声明自己最终证明了哥德巴赫猜想(我当然不是认真说的!),就等于把自己置于骗子的地位。直到我拿出了证明,才能脱罪。鉴于此事的严重性,我劝读者不要轻易尝试。”

这一要求,不会压制科学家们探索的决心,只会保证科学研究的严肃性。科学,毕意不是儿童“你假装没看见我”(这也是一个合理假设)那样的游戏,有能力提出观点的科学家,也有义务搜集证据证明自己的结论。

爱因斯坦没有因为相对论获得诺贝尔物理学奖,传说是因为评委看不懂相对论。也许,我们该更相信另一种说法,在当时还没有足够的证据证明相对论准确地描述了世界的运行。出于同样的原因,诺贝尔奖尽量避免授予新的未经验证的理论。

有时,学科的权威学者也可能犯错误。20世纪早期,科学家们争论的焦点之一是后来被称旋涡状星云的天体,它到底是我们的星系中的气体云还是如同银河系一样的河外星系,只是因为太遥远而不能分辨出单个星星。著名的天文学家范玛宁,通过对比不同年份的星云照片,在艰辛的测量后得出结论,认为星云在银河系内,因为太远物体的运动,不能被观测到。许多科学家接受了这一结论。但是,哈勃后来使用更新的望远镜,令人信服地展示了星云是银河系外的遥远星系。范玛宁虽然没有道德上的失误,但是他当时使用的技术,非常容易误导研究者。这告诉我们“科学中怀疑态度非常重要。科学知识和科学方法,不论旧的还是新的必须持续细察其可能的错误。”[6]

集团的权威,即使是国家的力量,也不能宣判科学结论的错误或正确。也许这种越权的判断,需要几十年时间来扭转,但是科学的号角还是会在坚冰下吹响。苏联长期排斥孟德尔的遗传学与分子生物学,这就是一个典型的故事,尽管是一个悲惨的故事。[7]同样,众所周知的宗教裁判所对伽利略的迫害,也未能熄灭日心说的火焰。

 

检验一个理论,也许,我们该相信民主的或者媒体的声音?

也许,在一些社会领域,民主对于体现人民的意志会起到一定作用。但是对于判断科学理论正确与否,它并不能比权威做得更好。

试想在中世纪之末、文艺复兴之初,对哥白纪的日心说和宗教的地心说投票,民众会更倾向于哪一结论呢?要知道,不仅仅教会,民众中的每个人对于上帝该在日心说的时空体系中存在于何处,也很费了一翻踌躇呢。

多数人一直执着地相信无机物与有机物有着本质的区别,前者是生命的组成,后者是非生命的组成。直到科学家用纯无机物制作出与有机物尿素完全相同的物质,生命独特的高贵才被从上帝的面纱下揭开一个角儿。人们同样觉得难以想象生命特有的复杂物质,可以由人类制造,比如蛋白质。后来,中国科学家合成的结晶牛胰岛素宣告了蛋白质的平凡,剥夺了上帝的这一特权。现在,科学家已经能用纯粹的化学物质合成像病毒这样简单的生命。很多时候,如果由不具备足够知识的民众来投票,正确的科学结论被误判的可能性并不因为“群众的眼睛是雪亮的”而减小。

如果说上面的只是假设,那么让我们再想一想不久前公众对克隆技术的抵触吧,或者更早一些的,对试管婴儿的反对浪潮。

反映民众态度的载体之一,是公共媒体。但是,英国《自然》杂志等许多科学期刊甚至公开声明,拒绝刊登同行评议前先行在公共媒体中宣传的文章。因为,公众的压力,包括来自大量的不了解学科特点的人们的压力,影响科学家的独立判断,影响科学的严肃性。邹承鲁院士指出,“科学家声誉的建立,应该完全依靠自己的工作,在严肃的科学书刊发表论文……依靠领导批示,或依靠报纸、电视、电影等新闻媒介的宣传……最终只能被时间所淘汰。”[5]“水变油”在公共媒体中的广泛宣传,使得在多年之后,还有人认为当事者只是受到了权威的排挤。

科学结论的正确与否,不应通过炒作来判断。

 

检验一个理论,在这个逐渐冷寂的宇宙中,我们唯一可以依靠,只有事实。

其实这是一个无意的循环论证。在本节最初,我们就提到了错误理论的特点,即无法解释新的甚至既有的事实。理论,是对现实世界的建模。模型正确就使用,错误就抛弃。新模型只有更准确,才被采用。邹承鲁院士指出,“人类在大自然中生存、发展,必须经常能动地改造自然,以适应自然和社会发展的需要,提高人类生活质量。为了改造自然必须首先认识自然。自然科学就是人类认识自然的总结,而自然科学的基础研究正是人类认识自然的主要活动。”[5]单纯追求“新颖”或否定权威带来的轰动效应,是没有任何意义的。

实践是检验真理的唯一标准。这是一句我们过于熟悉,以至于很多时候应该使用时却忘记了的话。所以爱因斯坦这样强调科学理论与事实的关系,“我们全部的科学与客观实在相比是原始而幼稚的,然而它却是我们所拥有的最宝贵的东西。”

为保证理论能被事实检验,科学界要求科学家在科学研究和成果发表中遵循一些基本的原则。这才是我们讨论的重点。许多热衷于研究科学的人,恰恰是由于不了解这些最基本的原则,而四处碰壁,自怨自艾(请注意,此处并未涉及到这些人的基础知识、研究能力和结论的正误)。

下面是基本原则中的几条。

1、  同行评议。

科学结论,要求必须在学术期刊、会议通讯等处刊登。一旦成果被发表,即成为整个人类科学体系的一部分,接受全世界科学家及后人的检验。出于私心[8],或者科学责任,同行的科学家会仔细审视这一理论,从它的模型到实验数据。任何一个错误的发现,都将成为指出这一错误的科学家的成果,成为他的科研荣誉的一部分。基于此,爱因斯坦和量子力学等著名的理论,经受了最严格挑剔的目光的审视。并且,有众多的科学家永不休止地用新工具所观察到的事实或设计新的实验,检验这些理论。工程师们的实践活动,在应用这些理论的同时,也在检验它的正确性。

从这个角度来说,姚明手中的篮球,一直在用抛物线检验万有引力定律;足球场上的香蕉球,也一直在检验着空气动力学。包括邓亚萍一击抽射后,落在地上越弹越低直至静止的乒乓球,也在检验着热力学第二定律[9],并一直在证实着第二类永动机是另一个不可实现的童话。[10]

科学对技术的依赖越来越大。有时出于安全或商业目的考虑,专利和保密也是需要的。我们不妨一起来思考一个问题,在这种情况下,该如何进行同行评议呢?

2、  采用普遍接受的方法。

卡尔·萨根在《魔鬼出没的世界》中做过一个比喻,来说明这个问题。

有人宣称他的车库里有一条喷火的龙。你指出这条龙看不到。他补充说那是一条看不见的龙。如果你提出在地上撒上面粉,以获取龙的爪印。他说这条龙是浮在空中的。然后你想用红外线探测仪检测龙喷出的看不见的火,他会告诉你这看不见的火是不发热的。如果你想把油漆喷在龙的身上使它现身,他会说龙是非物质的,不沾油漆。你提出的每条检验手段,他都会补充一条理由使你无法检测。总之,他需要你在缺乏证据的情况下,相信他的说法。[1]

可是,“一条看不见的、无实体的、浮在空中的、喷着没有热度的火的龙与根本没有龙之间有什么区别呢?”此时,科学界会要求提出观点的科学家,谁声称谁举证。

《怎样当一名科学家》中给出一个现实的例子,“在某一领域。如果研究工作不采用普遍接受的方法,其他科学家就会不大愿意接受其结果。这是在80年代后期许多科学家对冷核聚变原始报告反应消极的主要原因之一。该报告中的断言非常不符合物理常识,科学家们要求更多的证据。但是,该报告中的实验,一开始就无法让其他研究人员证实或否定这些断言。当实验技术为众人所知并被重复时,对冷核聚变的信任很快消失了。”[6]

3、  参考文献

在论文中列出参考文献,至少有这样几点好处。1)引导读者阅读进一步的资料。2)指出该观点或数据的出处,科学研究的效率要求科学家仔细审视的同时,在同行和前人的成果基础上工作,充分利用,而不是重复。正如邹承鲁院士指出的,“科学发展到今天,早已由自然现象的表面观察进入到自然现象变化规律性的研究,直接来源于自然现象表面观察的课题已经越来越少,常常是间接来源于自然界,即来源于前人对自然现象的观察或分析。”[5]3)把该观点或数据的荣誉(也包括责任)归于其发现者。

 

需要特别指出的,伪科学的错误,不同于科学的弯路。如果说科学的弯路,相当于测量中的误差,不可避免的话,伪科学的错误,则是由于没有受到基本的科学训练或有意不遵循基本的科学研究原则,更像测量中的操作错误,完全可以避免。

黑夜中有星星的痕迹,这种黑夜与全然漆黑相比较,是一种进步;而阳光下的影子当中,则只有黑暗。科学家的弯路有其进步的意义,比如拉马克的理论,比宗教中的上帝造万物要进步。但是,如果在达尔文甚至分子生物学之后无视大量事实提出获得性遗传,那就是无知的错误了。

错误本身并不可怕,可怕的是重复错误。

 

结语

 

科家研究没有坦途,方向错误的弯路不可避免。

科学家们正是以事实作为唯一的标准,不停地创造、修正我们对这个世界的认识,进而改造世界。

在科学永不休止地前进的号角声中,一切黑暗的角落都必将充满阳光。

 

参考文献:

[1]    卡尔·萨根(李大光 译):魔鬼出没的世界,吉林人民出版社,1998年

[2]    外界对系统所传递的热量,一部分使系统的内能增加,一部分用于系统对外所作的功能。(程守洙,江之永:普通物理学,高等教育出版社,1982年11月)

[3]    卡尔·萨根(周秋麟、吴衣俤等译):宇宙,吉林人民出版社,1998年10月

[4]    EYU:“带头吃鸡”不是科学家的职责和义务,新语丝(www.xys.org),XYS20040206

[5]    邹承鲁:科学研究五十年的点滴体会,生理科学进展,2001年第3期

[6]    [美]科学、工程和公共政策委员会(何传启 译):怎样当一名科学家,科学出版社,1996年4月

[7]    笑蜀:悲情圣殿——科学王国里的红色恐怖,三思科学言论集www.oursci.org)

[8]    赵南元:科学为什么可靠,博客中国,http://www.blogchina.com/new/display/440.html

[9]    不可能制成一种循环动作的热机,只从一个热源吸取热量,使之完全变为有用的功,而其他物理不发生任何变化。(程守洙,江之永:普通物理学,高等教育出版社,1982年11月)

[10]本段的优秀科普,部分改编自卡尔·萨根的《魔鬼出没的世界·概率与运气》。非敢掠美。